不同反应气氛下准东高钠煤中钠的迁移转化与积灰特性

为了获得循环流化床工艺下不同反应气氛对准东高钠煤中钠的迁移转化与积灰特性的影响,在0.4t/d循环流化床实验装置上开展了相同床温(950℃)下的新疆沙尔湖高钠煤的气化(还原性气氛)与燃烧(氧化性气氛)实验研究。结果表明,气化和燃烧气氛下飞灰与积灰中Na主要以NaCl的形式存在;气化比燃烧更容易将Na、Cl固留在底渣和飞灰中,相应的进入气相中的Na、Cl更少;燃烧气氛下,部分NaCl会被烟气中的SO_2硫化,生成稳定性更高的Na_2SO_4并冷凝在飞灰和积灰棒表面,燃烧过程中产生的飞灰粒径更细,积灰更严重;沙尔湖煤燃烧与气化过程中存在HCl对金属壁面的腐蚀。     

不同预处理方法对准东高碱煤中碱金属含量测定的影响

以四种不同的准东高碱煤及气化飞灰为研究对象,对高碱煤及气化飞灰中碱金属(Na、K)的赋存形态,以及不同预处理方法(低温灰化法、直接消解法、中国国标法、萃取法及氧弹燃烧法)对准东高碱煤及气化飞灰中碱金属(Na、K)含量测定的影响进行了测试分析。结果表明,准东高碱煤中碱金属Na主要以水溶态形式存在,碱金属K主要以水不溶态形式存在;不同的预处理方法对准东高碱煤中碱金属(Na、K)含量的测定结果影响显著,对于准东高碱煤及气化飞灰中碱金属(Na、K)含量测定,建议采用氧弹燃烧法,萃取法也可以相对准确地反映煤中碱金属Na的含量。     

蛭石对高钠高钙准东煤结渣特性影响研究

采用一维沉降炉,辅以灰熔点仪的实验方法,将蛭石与高钠高钙准东煤掺混燃烧,研究其对高钠高钙准东煤结渣特性的影响。结果表明,随着蛭石掺烧量的提高,灰熔点温度呈现先降低后升高的趋势,当掺烧量为6%时灰熔点温度最低;蛭石掺烧量越高,高钠高钙准东煤结渣情况改善越明显,当掺烧量达到4%时,渣样变得疏松多孔,质地变脆,渣样与沉积探针之间的黏附性较弱,极易通过吹灰除去,建议蛭石掺烧量为4%;煤灰中原始矿物质以石英、钙铝黄长石或钙黄长石以及辉石类的低熔点矿物质为主,掺烧蛭石后,含钠的绿辉石矿物质被转化为韭闪石,含铁的斜辉石、赤铁矿等矿物质被转化为铁橄榄石,渣样中的矿物质均以高熔点的镁橄榄石为主;蛭石具有固钠的作用,取样温度越低,蛭石掺混量越高,其固钠效果越明显。     

准东煤流化床气化飞灰的理化特性研究

采用灰熔点测定仪、X射线荧光光谱仪、扫描电镜和热重分析仪等方法,研究了准东煤流化床气化飞灰的灰熔融特性、物理结构和化学组成及气化反应活性。结果表明,准东煤与其流化床气化飞灰中Si O2、Fe2O3、Na2O和Ca O等矿物质含量存在显著的差异,但飞灰的灰熔点与原煤无明显差异。准东煤气化飞灰具有较宽的粒径范围,呈现双峰分布特征,且不同粒径区间飞灰的元素含量存在显著差异。提高气化温度,有利于提高飞灰的气化反应活性。准东煤流化床气化飞灰石墨化程度比煤焦要高,但其孔隙结构更为发达,含有丰富的中孔和中大孔,使得飞灰的气化反应活性高于煤焦。可通过提高气化温度、循环再气化的方法提高气化效率。     

准东高碱煤气化过程中碱金属迁移与结渣特性实验研究

利用循环流化床对天池木垒高碱煤进行了气化实验研究,获得了天池木垒高碱煤在循环流化床上的结渣特性及碱金属迁移规律,并对实验中出现的床内颗粒聚团现象进行了分析。结果表明,不同存在形态的碱金属在煤气化过程中的迁移规律不同,水溶钠和醋酸铵溶钠在煤气化过程中以气态形式析出,不溶钠主要存在半焦中;随着气化温度升高,底渣和煤气中钠含量增加,飞灰中钠含量减少;尾部管道温度降低过程中,煤气中钠的冷凝速率明显高于钾;天池木垒高碱煤气化过程中容易引起床内颗粒聚团,床温越高,颗粒聚团现象越明显,床温波动越大;碱金属与灰分中矿物成分及床料中SiO₂反应生成黏性低温共熔物是导致颗粒聚团的关键。     

采用生命周期影响评价软件ReCiPe2016研究煤矸石和煤燃烧时As和Pb排放的环境效应

在煤和煤矸石燃烧的过程中，许多重金属污染物排放到大气中，从而造成严重的环境问题，因此研究煤燃烧过程中重金属排放的环境效应很有必要。本研究运用ReCiPe2016软件计算了煤矸石和煤在330 MW煤粉炉、50 kW循环流化床和实验室燃烧时As和Pb排放的环境影响值。结果表明当煤在330 MW煤粉炉燃烧的时候，底渣、飞灰、烟气中的As排放对环境的影响值分别是3.28×10^-6、2.68×10^-5、3.89×10^-3，底渣、飞灰、烟气中的Pb排放对环境的影响值分别是8.57×10^-6、6.00×10^-5、4.83×10^-2。底渣中的As和Pb排放对环境的影响比飞灰中低；As和Pb排放到大气对环境的影响比排放到土壤高。另外，当煤在50 kW循环流化床燃烧的时候，飞灰中的As和Pb排放对环境的影响值分别是3.26×10^-5和1.28×10^-4，底渣中的As和Pb排放对环境的影响值分别是1.16×10^-6和1.43×10^-5。本文的研究结果还表明当煤矸石在实验室燃烧的时候，随着燃烧温度的升高，As和Pb排放对环境的影响值升高。另外，As和Pb排放到大气对环境的影响占总环境的影响比例比排放到土壤高。此项研究还表明当煤在煤粉炉和循环流化床燃烧的时候，相同工况下Pb排放对环境的影响比As高。这项结果也为运用生命周期影响评价软件预测煤矸石在循环流化床燃烧As和Pb排放的环境影响提供基础数据。     

准东高钠煤热解过程中钠的迁移特性实验研究

针对新疆准东煤田高钠煤(简称准东高钠煤)在发电锅炉燃烧时遇到结渣黏污严重的问题,基于立式管式炉热解,利用电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES)、X射线衍射(XRD)以及扫描电镜-能谱(SEM-EDX)等检测手段,分析了准东高钠煤在不同热解温度下碱金属钠的析出特性、赋存形态以及热解半焦的微观形貌.利用Fact sage 6.1化学热力学平衡计算软件分析了碱金属的析出形式.结果表明,准东高钠煤中的碱金属钠在热解过程中有部分析出,开始的析出温度为600 ℃,当热解温度达900 ℃时,碱金属钠的析出率为40.2%;碱金属钠在热解过程中主要以NaCl的形式析出;热解温度低于900 ℃时,没有熔融态物质生成.     

高岭土对准东煤结渣特性及矿物质演变的影响

采用热分析和X射线衍射物相分析相结合的方法,对添加高岭土前后的准东煤灰矿物质组分随温度的演变规律进行了研究,分析了高岭土对准东煤结渣特性的影响。结果表明,准东煤中原始矿物质以方解石、硬石膏、石英为主,高温下主要是镁硅钙石和硅酸二钙;掺混高岭土后准东煤灰熔融温度呈现先下降后上升趋势。掺混比例为3%时,准东煤灰以钙黄长石、铁橄榄石、镁硅钙石为主,三者易形成低温共融物,导致此比例下灰熔融温度大幅降低;添加比例超过6%后,灰中矿物质由易形成低温共融的钙黄长石向高熔点的钙长石转变,ST温度快速上升至1 380 ℃;结渣指标计算结果表明,高岭土在原煤中掺混比例达到6%时,能够有效缓解准东煤结渣。     

准东煤中碱金属的赋存形式及其在燃烧过程中的迁移规律实验研究

对新疆煤采用三步化学提取实验(蒸馏水洗、醋酸铵洗、稀盐酸洗)以分析其碱金属赋存特性,对水溶的阴离子进行了离子色谱分析。分别检测了在不同温度、不同停留时间下准东煤灰的碱金属量,并用Factsage软件模拟该煤灰中碱金属的析出形式。结果表明,煤中的钠主要是水溶钠,钾主要以不可溶钾存在,水溶碱金属主要以水合离子形式的氯化物存在。准东煤中碱金属在400~600℃析出最快,主要是水溶态碱金属的释放,碱金属的释放主要发生在燃烧后期。灰中碱金属在高温下会与烟气中的成分发生反应,主要产物是氯化物以及氢氧化物。在700℃钠对准东煤中低温共融物的形成有很大贡献。     

O2/CO2煤粉燃烧时含铁矿物质转化行为的实验研究

通过乌兰木伦煤和哈拉沟煤在沉降炉中的燃烧实验,采用57Fe M(o)ssbauer谱仪,对煤中含铁矿物质及其在O2/N2和O2/CO2燃烧条件下生成的灰中含铁成分进行分析和比较,研究了O2/CO2煤粉燃烧时含铁矿物质的转化行为.结果表明,与O2/N2燃烧相比,O2/CO2燃烧对灰中生成的主要含铁矿物相种类没有影响,但显著地改变了灰中含铁矿物相的相对含量;O2/CO2燃烧更有利于内在黄铁矿和菱铁矿生成硅酸盐玻璃体而不是氧化成铁氧化物.灰中含铁矿物相的相对含量变化表明O2/CO2燃烧影响煤的结渣趋势,对于含内在含铁矿物较多的煤,O2/CO2燃烧会增加其结渣的趋势.     

不同煤燃烧过程颗粒汞生成特性的实验研究

在高温管式电加热炉上进行了三种煤单独燃烧,三种煤添加1%、3%、5%溴化钙与醋酸钙燃烧,以及一种煤添加Fe₂O₃燃烧实验,燃烧温度为1 250℃。收集了各燃烧过程的飞灰,对收集的飞灰进行了Hg含量测定,并对飞灰进行了比表面积、EDS与XRD表征。实验与分析结果表明,三种煤燃烧后Hg_p的生成特性显著不同;三号煤灰的比表面积最大但飞灰颗粒Hg含量及Hg_p比率均很低;在添加CaBr₂后,三种煤飞灰颗粒Hg含量及Hg_p比率均显著增加;在三种煤中添加醋酸钙,及在三号煤中添加Fe₂O₃后,Hg_p含量与比率有所增加,但增加幅度较小。     

准东煤灰化过程中的矿物演变及矿物添加剂对其灰熔融特性的影响

利用低温灰化、高温灰化和X射线衍射物相分析相结合的方法对准东煤中矿物质在加热过程中的演变规律进行了研究。结果表明,准东煤中原始矿物质以方解石、高岭石为主,随着燃烧温度的升高,煤灰中矿物质最终生成了铁橄榄石、硅酸钙等。此外,向准东煤中掺加不同比例的高岭土和刚玉混合添加剂,发现随着SiO2/Al2O3比值的降低,煤中生成了钙矾石、钙铝榴石等高熔点物质,准东煤的灰熔点逐步升高。     

配煤灰渣中矿物质在高温中转变的定量分析及其对结渣的影响

利用沉降炉系统对榆林和平朔的配煤进行结渣特性实验,测定不同实验温度下煤的结渣指数,并利用X射线衍射分析(XRD)对灰渣中矿物质组成进行了定量分析。结果表明,灰渣中主要存在四种结晶矿物质分别为氧化铁、钙长石、莫来石、氧化硅,以及无定形的玻璃体。其中,灰中氧化铁含量和灰渣中钙长石、莫来石含量对燃煤的结渣倾向性起显著性影响;灰中氧化铁和灰渣中钙长石含量越高、灰渣中的莫来石含量越低,煤燃烧的结渣倾向性越大。通过配煤可以降低煤灰中的氧化铁含量,并降低灰渣中的钙长石生成量和提高灰渣中的莫来石生成量,从而显著降低神木类煤的结渣倾向性。     

准东煤燃烧碱金属析出气、固相分布特性

采用萃取法测量了准东煤中不同赋存形式碱金属(Na、K)的含量,Na以水溶性为主,占59%,K主要以不可溶的硅铝酸盐存在,占总量的53%。进行准东煤燃烧实验,燃烧温度为400-950℃,研究了高碱准东煤燃烧过程中碱金属在气、固两相中的分布。结果表明,随温度升高,煤粉成灰率降低,Na从煤中不断析出进入气相;而K在400℃时,气相中的含量低于固相,温度高于500℃,气相中的含量超过固相并基本保持不变;碱金属在固相中出现富集现象,灰中碱金属的质量分数随温度升高;气相中的Na主要来源于水溶性,析出的K除了可溶性外,还有部分来自不可溶的硅铝酸盐;根据国标灰的XRD分析,煤中碱金属在燃烧过程中会与SiO_2和Al_2O_3反应生成钠长石和霞石等低熔点化合物。     

基于钾基修饰铁矿石载氧体的煤化学链燃烧循环实验

对天然的铁矿石加以钾基修饰,在流化床上进行了煤化学链燃烧循环实验。研究了改性后的铁矿石对气体产物浓度及含碳气体体积分数影响的持续力。钾基铁矿石缩短了反应时间并明显提高了CO₂浓度;在20次循环中,钾基铁矿石能明显提高CO₂体积分数并降低CO体积分数,11次循环后,CO₂体积分数稍有减少,CO体积分数略有增加。借助于扫描电镜与电子能谱(SEM-EDX)和X射线衍射(XRD),对不同循环后的载氧体进行表征。与纯铁矿石相比,前10次循环钾基铁矿石载氧体表面严重烧结,20次循环之后烧结减轻,恢复多孔结构。结果表明,钾基铁矿石载氧体中KFe₁₁O₁₇或其衍生物对煤气化有催化作用;在20次循环中存在钾流失现象;20次循环后钾基铁矿石载氧体能完全氧化为Fe₂O₃。     

Quantitative analysis of minerals of blended coal ash at high temperature and its influence on slagging

利用沉降炉系统对榆林和平朔的配煤进行结渣特性实验,测定不同实验温度下煤的结渣指数,并利用X射线衍射分析(XRD)对灰渣中矿物质组成进行了定量分析.结果表明,灰渣中主要存在四种结晶矿物质分别为氧化铁、钙长石、莫来石、氧化硅,以及无定形的玻璃体.其中,灰中氧化铁含量和灰渣中钙长石、莫来石含量对燃煤的结渣倾向性起显著性影响;灰中氧化铁和灰渣中钙长石含量越高、灰渣中的莫来石含量越低,煤燃烧的结渣倾向性越大.通过配煤可以降低煤灰中的氧化铁含量,并降低灰渣中的钙长石生成量和提高灰渣中的莫来石生成量,从而显著降低神木类煤的结渣倾向性.     

准东煤灰化过程中的矿物演变及矿物添加剂对其灰熔融特性的影响

利用低温灰化、高温灰化和X射线衍射物相分析相结合的方法对准东煤中矿物质在加热过程中的演变规律进行了研究。结果表明,准东煤中原始矿物质以方解石、高岭石为主,随着燃烧温度的升高,煤灰中矿物质最终生成了铁橄榄石、硅酸钙等。此外,向准东煤中掺加不同比例的高岭土和刚玉混合添加剂,发现随着SiO₂/Al₂O₃比值的降低,煤中生成了钙矾石、钙铝榴石等高熔点物质,准东煤的灰熔点逐步升高。     

燃烧放热对准东煤成灰过程中钠盐释放的影响

选取典型的准东煤五彩湾煤为研究对象,在马弗炉内制备400-1200℃的燃烧灰和再热灰,采用K型热电偶测量燃烧过程中样品表面温度,通过XRF、XRD分析获得灰的成分和结晶形式,取部分灰样逐级萃取,通过微波消解及电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS),获得灰中钠的赋存特性。结果表明,燃烧和再热灰在成分和晶体形式上差异显著,再热灰钠含量明显高于燃烧灰且灰熔点偏低;随着温度升高灰中钠盐总量明显减少,其中,水溶钠、醋酸铵溶钠迅速减少,而盐酸溶钠含量先增加后减少,不可溶钠增加,释放的钠以可溶钠为主;加热温度和时间影响钠的释放,燃烧反应放热导致煤粉表面温度超过环境温度200℃以上,是钠盐过多释放的主要原因。     

准东煤掺烧高岭土对固钠率及灰熔融特性影响研究

选择常见的黏土矿物高岭土作为准东煤添加剂掺烧,研究了不同掺混比例、不同燃烧温度下添加剂的固钠率和煤灰熔融特性的变化,结合XRD谱图和三元相图研究了灰中矿物在高温下的演变过程。结果表明,固钠率随高岭土掺混比例增加逐渐增大,在0~2%时增长较快,2%~5%增长较慢,随燃烧温度升高略微下降;掺混后煤灰熔点随掺混比例先缓慢减小,再快速减小,后快速增加,在3%时达到1 200 ℃左右;XRD和三元相图分析结果表明,煤灰熔融特性变化是由于灰中硅钙石、钙黄长石和钙长石矿物比例的变化引起,发生低温共熔现象是导致掺混比例为3%和4%时煤灰熔点最低的主要原因;当掺混比例为2%时,固钠率在60%以上且灰熔点在1 300 ℃左右,利于固态排渣,当掺混比例为3.0%~4.0%时,灰熔点在1 200 ℃左右,利于液体排渣。     

水煤浆燃烧炉内固体残留物的微观分析

以不同特性煤浆的炉内燃烧固体残留物为研究对象，对取自炉内不同部位及沉积于硅碳棒和灰污探针上的典型燃烧灰的化学成分、矿物组成、元素分布及微观结构等进行分析研究。结果表明，水煤浆灰样中含Al、Fe、Ca的化合物和矿物的质量分数高于黑液浆，Na、K、S、Cl的情况与此相反。Fe的富集是造成水煤浆沾污结渣的根本原因。Na和Fe是引起黑液浆沾污结渣的主要矿物元素，Na的作用比Fe更大。黑液浆灰样中含有大量的霞石和硫酸钠等低熔融温度富钠化合物，Na是引起沾污结渣的根源。微观分析结果与实际燃烧状况是一致的，黑液浆结渣特性强于水煤浆，并且二者的灰沉积机理是不同的。